Photocatalytic oxidation of humic substances and lignins in aqueous solutions

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan kahden yleisen, veden ympäristökuormitusta aiheuttavan kemikaaliryhmän, ligniinin ja humusaineiden, fotokatalyyttistahapetusta (photocatalytic oxidation, PCO) vesiliuoksessa. Fotokatalyyttina käytettiin titaanidioksidia, jota säteilytettiin ultraviolettivalolla. Työssä selvitettiin useiden eri olosuhdeparametrien vaikutusta fotokatalyysiin. Tutkittavia parametreja olivat mm. kontaminanttien alkukonsentraatio, pH, vetyperoksidilisäys, rauta-ionien lisäys, fotokatalyysimenetelmä, fotokatalyytin pintakonsentraatioja titaanidioksidin määrä lasisissa mikropartikkeleissa. Ultraviolettivalon lähteinä käytettiin sekä keinovaloa että auringonvaloa. Katalyytin kantoaineena käytettiin huokoisia lasisia mikropartikkeleita, joiden pintaan kiinnittynyt titaanidioksidi pystyi hyvin vähentämään kontaminanttien määrää vedessä. Fotokatalyysin tehokkuus kasvoi humusaine- ja ligniinikonsentraatioiden kasvaessa. Korkeimmat hapetustehokkuudet kumallakin kontaminantilla saavutettiin neutraaleissa jalievästi emäksisissä olosuhteissa huolimatta siitä, että paras adsorboituminen tapahtui happamissa olosuhteissa. Tämän perusteella voidaan olettaa, että humusaineiden ja ligniinin hapetus tapahtuu pääosin radikaalimekanismilla. Vetyperoksidin lisääminen humusaineliuokseen lisäsi hapettumisnopeutta, vaikka näennäinen hapetustehokkuus ei muuttunut. Tämän perusteella vetyperoksidi hapetti myös humusaineita referenssinäytteessä. Ligniinin fotokatalyyttinen hapettuminen parani vetyperoksidilisäyksellä happamissa olosuhteissa johtuen lisääntyneestä OH-radikaalien muodostumisesta. Ligniini ei hapettunut vetyperoksidilla, jos fotokatalyyttiä ei¿ollut läsnä. Rauta-ionit eivät lisänneet humushappojen fotokatalyyttistähapettumista, mutta Fe2+-ionien lisäys aina konsentraatioon 0.05 mM johti ligniinin hapettumistehokkuuden voimakkaaseen kasvuun. Rauta-ionikonsentraation kasvattaminen edelleen johti ligniinin hapetustehokkuuden alenemiseen.

The present research considers aqueous photocatalytic oxidation (PCO) of two common water pollutants, lignin and humic substances. Titanium dioxide irradiated with near-UV was chosen as a photocatalyst. The variety of conditions influencing PCO were studied, such as initial concentration of pollutants, pH, addition of H2O2, addition of ferrous ions, the photocatalyst application mode, buoyant photocatalyst plane surface concentration, amount of TiO2 attached to the hollow glass micro-spheres. Both artificial and solar radiations were used as near-UV sources. Titanium dioxide immobilised onto the surface of buoyant hollow glass micro-spheres showed good ability to abate the pollutants. The PCO efficiency increased with the increase of HS and lignin concentration. The highest PCO efficiency for both substances was observed in neutral and slightly basic media, despite the fact that best adsorption was in acidic media. This means that the oxidation of HS and lignin may proceed preferably by the radical mechanism. The addition of hydrogen peroxide to the solution of HS increased the PCO rate, although the apparent PCO efficiency did not change: hydrogen peroxide also oxidized HS in the reference sample. Photocatalytic oxidation of lignin benefited from introduction of hydrogen peroxide in acidic medium due to promoted OH-radical formation. Lignin was not oxidized with hydrogen peroxide in absence of the photocatalyst. Ferrous ions did not increase the rate of HS PCO. However the addition of Fe2+ ions, up to 0.05 mM, to the lignin solution leads to the drastic increaseof PCO efficiency. A further increase in ferrous ion concentration results in adecrease in PCO efficiency of lignin.